CN102857261B - 海底电力线通信的方法和调制解调器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于经由海底电力线 (2)的电信号(E, E1, E2)传送二进制数据的方法和调制解调器(1)，其中使用正交频分复用 (OFDM)将所述二进制数据调制到所述电信号 (E_modRF, E1_modRF, E2_modRF)上。

Description

海底电力线通信的方法和调制解调器

本申请是申请日为2006年7月24日、申请号为200680055475.4、发明名称为“海底电力线通信的方法和调制解调器”的发明专利申请的分案申请。

技术领域

本发明涉及一种用于海底电力线通信例如用于经由海底电力线的电信号传输二进制数据的方法和调制解调器。

背景技术

海底电力线通信（subseapowerlinecommunication）是特定形式的水下通信。优选地，所述海底电力线通信被用于勘探和开采位于海床的气和油田。海底通信例如被用于在干舷控制点（topsidecontrolsite）和海底井口(wellhead)之间传输各种数据。采用到井口或者其它电子装置的电子通信勘探或者开采的气和油田有时被称作“电子场（e-field,electronicfield）”。

在现有技术中，描述了用于海底通信的不同技术。一方面，有有线的电或者光连接，另一方面有无线的连接。有线连接可以被细分为第一组和第二组，所述第一组提供与电力线分离的电子或者光连接的通信线路，第二组利用电力线用于电子通信。在后一种情况下，有利地，不需要单独的通信线路。

例如在US2005/0243983Al中，描述了用于从导体接收数据和发射数据到导体的调制解调器。所述调制解调器包含用于发射数据到所述导体的输出驱动器、用于从所述导体接收数据的接收器和用于使接收器输入端的阻抗与导体的阻抗相匹配的阻抗匹配装置。输出驱动器的增益、接收器的增益和接收器输入端的阻抗在所述调制解调器处可调节。

所有熟知的用于海底电力线通信的调制解调器使用某种频移键控调制（frequencyshiftkeyingmodulation）技术，允许高达19200bit/s的比特率和高达约100km的工作范围。为此目的，熟知的调制解调器使用包含电子信号用的低通滤波器和已调制的二进制数据用的高通滤波器的双工器，分别过滤出超过和低于100kHz的频率。

发明内容

本发明的目标是说明一种用于海底电力线通信的方法和调制解调器，借助其，以明显较高的比特率和较大的工作范围通信是有可能的。

所述问题通过包含在权利要求1中规定的特征的方法和通过包含在权利要求11中规定的特征的调制解调器解决。

本发明有利的实施例在从属权利要求中规定。

为了本发明，可以理解，每当声明与调制相关的时候，可替代地或者附加地，可以相应地与解调相关。

本发明提议，使用正交频分复用(OFDM（orthogonalfrequencydivisionmultiplexing）)尤其在适当的调制解调器中将二进制数据调制到海底电力线的电信号上。根据本发明，优选地，在两个通信调制解调器（其中一个在海床处和另一个在干舷处）中都执行OFDM。这样，例如可以在海底电子单元和干舷控制点之间提供高达3Mbit/s的高比特率的点对点连接。

在OFDM（其本身从电视广播中公知）的情况下，发射调制解调器发送多个不同的正交频率，也称载波频带或者信道。假如两个载波频带关于其相对相位关系是相互无关的，那么两个载波频带据说是正交的。所述二进制数据被调制到所谓OFDM符号形式的电信号上。

将OFDM用于海底电力线通信带来几个优点。不同的载波频带在频率方面可以相互接近，因而使得高的频谱效率成为可能，允许高的总比特率。此外，OFDM允许容易地过滤出噪声。假如某个频率范围遇到干涉，那么可以以较慢的比特率运行相应的载波频带或者甚至可以将其禁用。这样，可实现高达200km的高工作范围。此外，通过将合适数目的载波频带分配到上行和下行传输，可以按需调整相应的比特率。

在优选的实施例中，在从2kHz到400kHz的间隔内的频率范围被用于OFDM，也即所述经调制的二进制数据。有可能使用与所述间隔一样宽或者比所述间隔窄的频率范围，例如10kHz到400kHz。所述实施例为OFDM提供宽频带，因此使得大量载波频带成为可能，因而使得高比特率成为可能。与现有技术对比，这尤其是通过使用低于100kHz的频率实现。因此，宽带传输是可能的，引起较高的比特率。上限400kHz减少了由开关电源引起的高频噪声和其谐波以及从干舷源所拾取的噪声。此外，海底电缆衰减在高于400kHz的频率处是高的。

有利地，所述电信号通过低通滤波器，经调制的二进制数据通过带通滤波器。优选地，所述滤波器包含在调制解调器的双工器单元中。对于最佳可达信号，带通滤波器允许通过从2kHz到400kHz的频率。低通滤波器允许在海底电力线上叠加调制解调器信号之前，切断来自于干舷和海底电源的低频噪声的干扰。优选地，低通滤波器从2kHz开始弯曲并且向下直到0Hz。

在优选的实施例中，在所述频率范围之内使用10到200个单独的载波频带。假如使用很多载波频带，每个载波频带可以以慢比特率工作。因此，所传输的OFDM符号的持续时间可能是比较长，从而降低传输对脉冲噪声的灵敏度。因此可以增加工作范围。由于大量载波频带，依然可以达到高的总比特率。

优选地，所述单独载波频带中的至少一个的增益被动态调整。这样，甚至带有强噪声的弱载波频带也可以被用于传输。

为了最小传输误差，在利用所连接的伙伴调制解调器根据的训练序列中，所述载波频带中的至少一个根据可预先定义的阈值被分类成可用的或者不可用的。

优选地，所述载波频带中的被分类为不可用的那些载波频带被屏蔽。

在有利的实施例中，与所述二进制数据并行地，诊断数据在所述备用载波频带（sparecarrierband）中被调制到所述电信号。这允许在调制解调器正常工作期间的诊断，而不限制实际二进制有效载荷数据的可用带宽。

在改进的实施例中，经由以太网连接，所述二进制数据从电子单元获得或者被发送给该电子单元。相应的调制解调器提供至少一个以太网连接。这使得高比特率对于外部连接成为可能。优选地，这种调制解调器包含用于提供所述以太网连接的精简指令集中央处理器（redecedinstructionsetcentralprocessingunit）。在这种改进的实施例中，优选地，经由所述电力线商定接收模式或者发射模式。这使得通过视需要交替传输方向而能够在两个调制解调器之间提供全双工通信。

由本发明获得的优点特别是，与现有技术的调制解调器相比，大大改善了可能的传输比特率和可能的工作范围。

附图说明

接下来，借助于几个图更详细地说明本发明。

图1示出根据本发明的调制解调器的方框图。

图2以示意性的侧视图示出所述调制解调器和其双工器。

图3示出所述双工器的方框图。

图4示出所述双工器的电路图。

图5示出在调制解调器加电后调制解调器阶段的流程图。

图6示出初始化阶段的流程图。

图7、8示出提供以太网连接的另一个调制解调器的方框图。

具体实施方式

在所有图中，相同的部分用同样的参考符号标记。

图1示出用于经由海底电力线2与电子单元3（例如控制海底电子场（e-field））通信的调制解调器1的示例性方框图。电力线（powerline）2也称作脐带（umbilical）。

调制解调器1包含用于在电力线2和电子单元3之间数据通信的接收路径4和发射路径5。

更详细地，所述调制解调器1包含现场可编程门阵列6(FPGA)、数字信号处理器7(DSP)、模数处理线路8和数模处理线路9。处理线路8和9都经由差分接口（未示出）与双工器10连接并且与现场可编程门阵列6连接。借助于双工器10，调制解调器1与海底电力线2可连接。

此外，现场可编程门阵列6提供两个独立双向外部串行接口11和12，例如用于二进制有效载荷数据的与所谓的PROFIBUS可连接的一个RS-485连接11，和用于诊断数据的一个RS-232连接12。

另一方面，现场可编程门阵列6从自RS-485连接11所获得的二进制数据和如有必要从在发射路径5上自RS-232连接12获得的诊断数据创建OFDM调制信号RF。所述数据被作为OFDM调制信号RF调制到电力线2的电信号E_modRF上。另一方面，现场可编程门阵列6对经由双工器10从电力线2获得的OFDM调制信号E_modRF解调成接收路径4上的二进制有效载荷数据并且如有必要解调成诊断数据，所述有效载荷数据和诊断数据分别被输出到RS-485连接11和RS-232连接12。

因为对于正交频分复用计算成本高，所以现场可编程门阵列6将数字信号处理器7用于调制和解调。具有程序闪存（programflash）13和数据存储器14的合适的数字信号处理器7在商业上是可得到的。数字信号处理器7经由包含编程寄存器的接口15与现场可编程门阵列6连接。通过时钟锁相环16，接口15以48MHz与电压受控振荡器17的参考频率（例如2MHz）同步。

对于OFDM调制和解调，调制解调器1使用例如195个单独的载波频带，也即信道，频率范围从10kHz到400kHz。在从2kHz到400kHz的间隔之内的其他频率范围也是可能的。特别地，运营商可以视需要分配或者封闭特定的载波频带。对于每个载波频带，可以使用熟知的调制技术QPSK、16-QAM或者64-QAM中的一项。调制解调器1自动为特定的调制选择最佳选择。然而，运营商可以设定最大星座（maximumconstellation）。调制解调器1为每个载波频带测量信噪比（SNR）并且分配功率以便最大化传输速率。因此，所述调制解调器1提供高达3Mbit/s的比特率和高达200km的工作范围。RS-232连接12的最大比特率为115200bit/s。

双工器10能够以这种方式将射频调制解调器1连接到电力线2的两个端，使得两个调制解调器1能够相互通信，而电力线电缆又被用于功率分配。为此目的，双工器10维持电力线2的电信号E的信号阻抗。双工器10（为OFDM调制解调器1的部分）被设计用于在干舷和海底控制系统之间的点对点连接。双工器10提供与其上行电路6到9相似的带宽或者比其大的带宽，以便不失真地传输调制信号RF。

双工器10紧凑地布置在调制解调器1中。图2示意性地示出双工器10的部件、例如两个变压器18是如何与印刷电路板19（简称PCB）的部件、例如现场可编程门阵列6和数字信号处理器7无接触地交替。两个变压器18很紧凑并且立在印刷电路板19下侧；所述IC部件、例如现场可编程门阵列6和数字信号处理器7立在印刷电路板19的下侧和/或者上侧。所述部件被安装在例如单个六层印刷电路板19的两侧。因此，整个调制解调器1很紧凑，因为其物理尺寸对于海底控制系统应用而言必须最小。

图3示出双工器10的方框图，包含用于电信号E1、E2的低通滤波器20和用于经调制的二进制数据的带通滤波器21。双工器10对于海底和干舷调制解调器1是统一的。

在干舷双工器10的情况下，具有电信号E1和E2的干舷电子单元3的电源22连接在方框图的右端。射频信号RF从现场可编程门阵列6利用所谓的OFDM电路6至9被输入，也即所谓的经调制的二进制数据。然后，OFDM调制的电功率信号El_modRF、E2_modRF被导向在方框图左侧的海底电力线2。

用于海底的双工器10接收在方框图左侧的OFDM调制的电功率信号E_modRF。代表经调制的二进制数据的射频信号RF由带通滤波器21提取出来，所述带通滤波器21连接到现场可编程门阵列6的OFDM电路。海底电源22连接在方框图的右侧。

低通滤波器20从电源22中过滤噪声避免被馈送到海底电力线2通信部分。带通滤波器21允许从10kHz到400kHz的频率通过。

在图4中，描述了双工器10的电路图。与图3相比，双工器10的电路被提供在左侧，其中电功率信号E_modRF1、E_modRF2与经调制的二进制数据信号相组合。射频信号RF被输出到在底部的现场可编程门阵列6的OFDM电路。电源22连接在右侧用以低通频率滤波。

电源侧滤波在从2kHz到5kHz的范围内提供大于45db的差模衰减（differentialmodeattenuation）并且在从5kHz到500kHz的范围内提供大于70dB的差模衰减。在2kHz和500kHz之间的共模衰减（commonmodeattenuation）大于80dB。

信号侧滤波在从2kHz到500kHz的范围内提供小于2db的差模衰减。在2kHz和500kHz之间的共模衰减大于60dB。对于2kHz到5kHz，群时延大于75μs，并且对于5kHz到500kHz，群时延小于25μs。

在图5中，在被供电之后，示出调制解调器1所经历的不同阶段。有四个阶段：加电、初始化、训练序列和正常工作。在加电阶段期间，设置在数字信号处理器7中的持久性参数并且适当地切换从外部显示信息的发光二极管（LED，未示出）。持久性参数包括例如调制解调器类型、调制解调器系列号和硬件修改、OFDM保护间隔、PROFIBUS传输率、可用输出功率、接收（Rx）增益、Rx衰减、信噪比容限、下行链路信道模式和上行链路信道模式。

在加电阶段之后，调制解调器1自动启动初始化阶段。初始化包含不同的状态，所述状态在图6中示出。在初始化阶段期间，在给定的时刻，调制解调器1从不使用多于一个的信道。在“Megasync”和“BestChannel”状态，调制解调器1从最低活跃信道顺序地向最高活跃信道传输。在"CommParam"状态，调制解调器1仅仅在一个信道上传输。

在"Megasync"状态，调制解调器1顺序地在每个活跃信道上发送可定义的信号序列。远程调制解调器（未示出）接收所述"Megasync"信号并且执行以下步骤。假如所测的信号电平低，则远程调制解调器1自动尽可能多地增加Rx增益。在削波之前容许大约90dB的信号电平。假如信号电平太高（发生削波），远程调制解调器1降低Rx增益直至削波不明显。总的Rx增益分成两部分，即Rx增益和Rx衰减。Rx增益可以从0至24dB被调节。Rx衰减可以被启用，这导致11dB衰减或者被禁用，这导致0dB衰减。因此，可以达到24+11=35dB的总增益。缺省地，所述增益被设为最大值。接着，远程调制解调器1为每个信道测量信噪比的值。然后，具有最高信噪比值的信道被指定为“最佳信道（BestChannel）”。

干舷调制解调器总是启动"Megasync"，而海底调制解调器总是进入"Megasync"接收状态。假如在两次尝试之后，干舷调制解调器还没有从海底调制解调器接收到任何"Megasync"，则适当的LED被点亮以用信号表示脐带破裂（umbilicalbreak）。一旦从海底调制解调器接收到"Megasync"，则清除所述LED。一旦调制解调器进入"Megasync"状态，初始化LED被点亮。

在"最佳信道（BestChannel）"状态，调制解调器1顺序地在每个活跃信道上发送关于最佳信道的信息。CRC8校验和码被应用到"BestChannel"消息。

在"CommParam"状态，调制解调器1传输要被应用在训练序列和正常工作阶段期间的关于通信参数的信息。发送哪些参数取决于传输方向和所使用的相应信道。其在下面的表格中描述：

可以看出，海底调制解调器为干舷调制解调器执行功率分配，而干舷调制解调器为海底调制解调器执行功率分配。于是，所有可用的输出功率被分配。CRC32码被应用于"CommParam"消息。"CommParam"消息仅仅在"最佳信道（BestChannel）"上被传输。当完成"CommParam"状态时，清除初始化LED。

当初始化完成时，调制解调器1和远程调制解调器进入训练序列阶段。“训练序列”被传输，以便获得初始信道估计并且测试实际的功率分配和调制星座。在训练序列阶段期间，调制解调器1使用在初始化阶段期间所确定的通信参数。因此，所述调制解调器将占用在初始化期间所确定的频率范围。

在成功完成训练序列阶段之后，两个调制解调器都进入正常工作阶段，也就是说，它们开始传送从其PROFIBUSRS-485连接11所获得的二进制有效载荷数据。

调制解调器1具有嵌入式逻辑以便最小化延迟。所述逻辑的基础是调制解调器1可以在从连接在RS-485连接11处的PROFIBUS主机接收整个电报之前开始调制和传输PROFIBUS电报到脐带上。同样，在接收端，远程调制解调器可以在从脐带接收整个PROFIBUS电报之前开始传输PROFIBUS电报到其PROFIBUS主机。对何时开始传输PROFIBUS电报的计算基于PROFIBUS比特率（其可定义为调制解调器1的参数）和PROFIBUS电报长度（其由相应电报中的第一字节中给出）。

PROFIBUS传输的总要求是，在电报中连续的字节之间不允许字节间间隙。因此，当计算何时开始传输PROFIBUS电报的时候，调制解调器1必须确保该要求。PROFIBUS设备上所配置的PROFIBUS时隙时间和因而部分总线参数必须被配置以便提供由通信调制解调器所增加的额外等待时间（extralatency）。所述调制解调器应该能够以由下面表格所给出的最小时隙时间工作：

PROFIBUS比特率 [kbit/s]	最小时隙时间
		9.6	220
19.2	250
		93.75	800
187.5	1500
		500	3800
1500	7000
		3000	13000

定期地借助于接收PROFIBUS数据来更新在训练序列阶段所执行的初始信道估计。通信调制解调器基本上要求新数据大约每隔100ms被接收，以便维持正确的信道估计。假如因为某个原因在两个连续的PROFIBUS电报之间的周期超过100ms，相应的发送调制解调器将传输超时包（timeoutpacket）以便维持信道估计。所述超时包可能导致PROFIBUS电报受损；因此可能发生PROFIBUS重新传输。因为超时包，即使没有PROFIBUS数据被应用，所述调制解调器也能够维持链路。

此外，控制信道被实现为经由脐带的与PROFIBUS数据信道并行的信道。控制信道的目的是从海底调制解调器向与干舷调制解调器连接的诊断装置传送诊断数据、也即参数和消息，而不影响二进制有效载荷数据的比特率。为此目的，与所述二进制有效载荷数据并行地，诊断数据在备用OFDM载波频带中被调制到电力线的电信号上。一旦调制解调器进入正常工作阶段，控制信道被建立。

调制解调器1可能被迫进入到正弦波输出测试模式。于是，正常工作阶段被停止并且调制解调器1被配置以便在特定信道上输出正弦波。

这是证实调制解调器模拟电路功能性的简单机制。为了进入正弦波输出测试模式，相应的"bRunSineTest"参数被设置为真，所期望的输出信道通过在0和194之间的"SineTest-Channel"参数。信道带宽大约1.95kHz，因此输出正弦波的大致中心频率是"SineTestChannel"*1.95kHz。然后所述调制解调器1被启动。

此外，调制解调器1可能被迫进入噪声测试模式。这意味着，正常工作模式被停止，并且调制解调器1被配置成“只接收”状态。在这种状态下，功率放大器被关闭。这是用以可视化调制解调器噪声输入的简单机制。为进入噪声测试模式，"bRunNoiseTest"参数被设置为真。然后，调制解调器1被启动。

图7示出类似于图1的调制解调器所配置的另一示例性调制解调器1的方框图。替代了RS-485连接的串行接口电路，调制解调器1包含精简指令集(RISC)中央处理单元23，其中内置式以太网控制器（未示出）提供外部以太网连接24至电子单元3。精简指令集中央处理器23经由现场可编程门阵列6与数字信号处理器7连接。

精简指令集中央处理器23或者处于发射模式或者处于接收模式。在接收模式下，精简指令集中央处理器23从以太网控制器读取以太网帧并且将所述帧写到现场可编程门阵列6内的缓冲器。在发射模式下，精简指令集中央处理器23从现场可编程门阵列6的缓冲器读取帧并且将所述帧写到相应的以太网控制器。假如在精简指令集中央处理器23处于接收模式，也就是从以太网控制器读取时，要被发送到以太网控制器的帧出现，那么精简指令集中央处理器23缓冲所出现的帧，直到传输方向变化为发射模式。

所述传输方向通过两个连接的调制解调器以这种方式协商，使得两个调制解调器1总是一致同意传输方向。这称作传输方向调度。借助于一对所连接的调制解调器1，以下总是适用：一个调制解调器1处于发射模式并且另一个调制解调器1处于接收模式。假如调制解调器1处于发射模式，那么只要它具有未决数据要传输或者直到预定义的参数化的时隙消逝为止，它将停留于这种模式。当这两个条件中的任何一个适用的时候，传输方向将反转。假如一个调制解调器1进入发射模式并且没有未决数据要传输，那么在短的参数化时隙之后，传输方向将反转。

由电力线2所连接的一对调制解调器1构成半双工通信链路（未示出）。采用上述传输方向调度，调制解调器1将构成用于在通信链路的两侧的以太网节点的全双工点对点通信链路。

图8示出类似于图7的调制解调器配置的另一调制解调器1的方框图。然而，精简指令集中央处理器23具有两个内置式以太网控制器（未示出），其提供两个外部以太网连接24到两个不同的电子单元3。对于每一个以太网连接24，使用相应的双重双绞线。两个以太网连接24允许经由单个电力线2连接的两个同步点对点通信链路。单独为每个以太网连接24使用上述传输方向调度，可以执行经由以太网连接2的通信。可替代地，可以使用简单的半双工传输。

Claims (18)

1.用于经由海底电力线(2)的电信号(E,E1,E2)传送二进制数据的方法，其中使用正交频分复用(OFDM)将所述二进制数据调制到所述电信号(E,E1,E2)上，其中在预定频率范围之内使用10到200个单独的载波频带，其中在两个通信调制解调器中都执行OFDM，其中一个在海床处并且一个在干舷处，使得可以在海底电子单元和干舷控制点之间提供高比特率的点对点连接。

2.根据权利要求1的方法，其中在从2kHz到400kHz的间隔内的频率范围被用于包含调制到所述电信号上的所述二进制数据的射频(RF)。

3.根据权利要求2的方法，其中所述电信号(E,El,E2)通过低通滤波器(20)，以及具有经调制的二进制数据的所述射频(RF)通过带通滤波器(21)。

4.根据权利要求1的方法，其中所述单独的载波频带中的至少一个的增益被动态调节。

5.根据权利要求1或者4的方法，其中在利用所连接的伙伴调制解调器（1）的训练序列中，所述载波频带中的至少一个根据可预先定义的阈值被分类成可用的或者不可用的。

6.根据权利要求5的方法，其中所述载波频带中的被分类为不可用的那些载波频带被屏蔽。

7.根据权利要求1到4之一的方法，其中与所述二进制数据并行地，诊断数据在备用载波频带中被调制到所述电信号(E,El,E2)上。

8.根据权利要求1到4之一的方法，其中所述二进制数据经由以太网连接(24)从电子单元(3)获得或者被发送给该电子单元(3)。

9.根据权利要求8的方法，其中经由所述电力线（2）协商接收模式或发射模式。

10.用于经由海底电力线(2)的电信号(E,E1,E2)传送二进制数据的调制解调器(1)，使用正交频分复用用于将所述二进制数据调制到所述电信号(E,E1,E2)上，在预定频率范围之内使用10到250个单独的载波频带，其中在两个通信调制解调器中都执行OFDM，其中一个在海床处并且一个在干舷处，使得可以在海底电子单元和干舷控制点之间提供高比特率的点对点连接。

11.根据权利要求10的调制解调器(1)，包括双工器（10），所述双工器（10）包括用于所述电信号(E,El,E2)的低通滤波器（20）和用于包含调制到所述电信号上的所述二进制数据的射频（RF）的带通滤波器（21）。

12.根据权利要求11的调制解调器(1)，使用从2kHz到400kHz的间隔内的频率范围用于具有经调制的所述二进制数据的所述射频(RF)。

13.根据权利要求10的调制解调器(1)，动态调节所述单独的载波频带中的至少一个的增益。

14.根据权利要求10或者13的调制解调器(1)，利用所连接的伙伴调制解调器执行训练序列，其中所述载波频带中的至少一个根据可预先定义的阈值被分类成可用的或者不可用的。

15.根据权利要求14的调制解调器(1)，屏蔽掉所述载波频带中的那些被分类为不可用的载波频带。

16.根据权利要求10到13之一的调制解调器(1)，与所述二进制数据并行地将诊断数据在备用载波频带内调制到所述电信号上。

17.根据权利要求10到13之一的调制解调器(1)，提供至少一个以太网连接（24）。

18.根据权利要求17的调制解调器(1)，包括用于提供所述以太网连接（24）的精简指令集中央处理单元（23）。